一種雙模四通道汽輪機(jī)蒸汽濕度測(cè)量系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種雙模四通道汽輪機(jī)蒸汽濕度測(cè)量系統(tǒng)和方法，測(cè)量系統(tǒng)由信號(hào)處理及控制器、TE111模模塊、TE011模模塊、壓力計(jì)和溫度計(jì)組成；TE111模模塊和TE011模塊結(jié)構(gòu)相同。測(cè)量方法為：計(jì)算沒(méi)有水膜時(shí)雙模式下的諧振頻率理論值、各水膜厚度采樣點(diǎn)及其頻率偏移；對(duì)TE111模式的采樣點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，對(duì)TE011模式的采樣點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合；測(cè)量測(cè)量諧振腔與參考諧振腔在雙模式下的諧振頻率；計(jì)算濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)；計(jì)算沒(méi)有水膜時(shí)，測(cè)量諧振腔TE111模式的諧振頻率；計(jì)算水膜在雙模式引起的諧振頻率偏移；由TE011模式諧振頻率偏移求得蒸汽濕度。本發(fā)明采用四通道雙模諧振模式工作，快速、準(zhǔn)確測(cè)量濕蒸汽濕度，消除水膜厚度及環(huán)境溫度引起的測(cè)量誤差，提高濕度測(cè)量精度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種雙模四通道汽輪機(jī)蒸汽濕度測(cè)量系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及汽輪機(jī)蒸汽濕度測(cè)量系統(tǒng)和方法，尤其是一種雙模四通道汽輪機(jī)蒸汽 濕度測(cè)量系統(tǒng)和方法，屬于汽輪機(jī)蒸汽濕度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于汽輪機(jī)末幾級(jí)的濕蒸汽狀態(tài)，濕度過(guò)大會(huì)腐蝕葉片表面，濕度不同，造成的這 種水蝕程度也就不同。所以從汽輪機(jī)運(yùn)行效率的角度，以及從葉片水蝕程度的角度，在線精 確測(cè)定濕蒸汽的濕度對(duì)汽輪機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及其壽命具有重大意義。目前國(guó)內(nèi)外用于汽輪 機(jī)內(nèi)流動(dòng)濕蒸汽濕度的測(cè)量方法主要是熱力學(xué)法、光學(xué)法、CCD成像法及微波金屬圓柱波導(dǎo) 諧振腔微擾法。
[0003] 熱力學(xué)法是從汽輪機(jī)的排汽中抽取部分汽體樣本，引向測(cè)量段進(jìn)行處理，由于熱 力學(xué)濕度法濕度測(cè)量裝置的體積較大，只適用于在測(cè)量汽輪機(jī)排汽濕度等具有較大蒸汽空 間的場(chǎng)合使用，不能夠?qū)崿F(xiàn)蒸汽濕度的在線測(cè)量。
[0004] 光學(xué)法濕度測(cè)量依據(jù)的原理是當(dāng)光線通過(guò)含有細(xì)微顆?；蜢F滴的介質(zhì)時(shí)將產(chǎn)生 散射現(xiàn)象?？芍苯訙y(cè)出蒸汽中水滴的粒徑分布，裝置的外形尺寸小，對(duì)被測(cè)汽流的狀態(tài)無(wú)干 擾等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)用中要保證光學(xué)窗口的潔凈、不結(jié)露，測(cè)量結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備造價(jià)高。
[0005] CCD成像法采用圖像處理技術(shù)，顯微視頻技術(shù)和微粒圖像速度儀測(cè)量汽輪機(jī)中蒸 汽濕度和水滴直徑，但設(shè)備造價(jià)高，在準(zhǔn)確度等方面需進(jìn)一步的提高。
[0006] 微波金屬圓柱波導(dǎo)諧振腔微擾法是微波諧振腔的微擾，其工作原理是:微波諧振 腔內(nèi)介質(zhì)介電常數(shù)的微小變化，將對(duì)微波諧振腔產(chǎn)生微擾，引起微波諧振腔諧振頻率的改 變，通過(guò)測(cè)量微波諧振腔諧振頻率的變化，可以測(cè)量微波諧振腔內(nèi)介質(zhì)介電常數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn) 蒸汽濕度的在線測(cè)量。
[0007] 汽輪機(jī)濕蒸汽是由干飽和蒸汽和大量的細(xì)小霧滴組成的汽-水混合物，由于氣態(tài) 水和液態(tài)水的介電常數(shù)差別很大，因此汽輪機(jī)排汽的濕度不同，其介電常數(shù)也就不同。對(duì)于 一定頻率的微波場(chǎng)，在壓力、溫度一定的情況下，汽輪機(jī)濕蒸汽的介電常數(shù)只決定于濕蒸汽 的濕度，因此，可以通過(guò)測(cè)量汽輪機(jī)濕蒸汽的介電常數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)濕蒸汽濕度的測(cè)量。
[0008] 濕蒸汽濕度傳感器采用的是圓柱波導(dǎo)諧振腔結(jié)構(gòu)，為了讓濕蒸汽流過(guò)圓柱波導(dǎo)諧 振腔，圓柱波導(dǎo)諧振腔兩端開(kāi)有圓環(huán)縫隙。圓柱波導(dǎo)諧振腔采用全金屬結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)時(shí)間工作在 濕蒸汽狀態(tài)，圓柱波導(dǎo)諧振腔內(nèi)表面會(huì)形成一層水膜，使圓柱波導(dǎo)諧振腔諧振頻率發(fā)生偏 移，從而使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。可見(jiàn)，水膜對(duì)蒸汽濕度測(cè)量系統(tǒng)的精確度會(huì)產(chǎn)生一定的影 響，因此有必要對(duì)水膜厚度進(jìn)行測(cè)量，消除水膜厚度對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高濕度 測(cè)量精度。
[0009] 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)微波諧振腔內(nèi)表面形成的水膜層厚度測(cè)量還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，目前 微波圓柱波導(dǎo)諧振腔濕度測(cè)量中大多使用一個(gè)圓柱波導(dǎo)諧振腔作為濕度傳感器，稱(chēng)為單腔 測(cè)量系統(tǒng)，單腔測(cè)量系統(tǒng)對(duì)微波源的頻率穩(wěn)定度要求較高，而且無(wú)法消除圓柱波導(dǎo)諧振腔 體熱膨脹因素的影響；個(gè)別學(xué)位論文報(bào)道使用兩個(gè)圓柱波導(dǎo)諧振腔作為濕度傳感器，稱(chēng)為 雙腔測(cè)量系統(tǒng)，雙腔測(cè)量系統(tǒng)對(duì)微波源的頻率穩(wěn)定度要求不是很高，而且消除了圓柱波導(dǎo) 諧振腔體熱膨脹因素的影響，但目前的雙腔測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有考慮圓柱波導(dǎo)諧振腔內(nèi)表面形成 的一層水膜對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的測(cè)量誤差，影響了測(cè)量精度;因此，迫切需要研究一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，能夠消除水膜厚度引起的測(cè)量誤差的測(cè)量方法，提高濕度測(cè)量精度，滿(mǎn)足在線監(jiān)測(cè)汽輪 機(jī)內(nèi)蒸汽濕度測(cè)量的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷或不足，本發(fā)明提出一種雙模四通道汽輪機(jī)蒸汽濕度測(cè) 量系統(tǒng)和方法。
[0011] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0012]技術(shù)方案一：
[0013] 一種雙模四通道汽輪機(jī)蒸汽濕度測(cè)量系統(tǒng)，包括信號(hào)處理器及控制器、TEm模式 模塊、ΤΕοιι模式模塊;所述TEm模式模塊、ΤΕοιι模式模塊結(jié)構(gòu)相同，分別在TEm模式和TEon 模式下工作;所述信號(hào)處理及控制器的相應(yīng)控制輸出端分別接TEm模式模塊、ΤΕοιι模式模 塊的相應(yīng)輸入端，其輸入端分別接TEm模式模塊、ΤΕοιι模式模塊的相應(yīng)輸出端；
[0014]所述TEm模式模塊由第一掃頻信號(hào)源、第一隔離器、第一功率分配器、第一測(cè)量諧 振腔、第一參考諧振腔、第一參考通道和第一測(cè)量通道組成;所述第一掃頻信號(hào)源的輸入端 接信號(hào)處理及控制器的相應(yīng)輸出端，在信號(hào)處理及控制器控制下生成掃頻信號(hào)，掃頻信號(hào) 經(jīng)第一隔離器輸入第一功率分配器，所述第一功率分配器輸出的第一路信號(hào)和第二路信號(hào) 分別經(jīng)第一測(cè)量通道和第一參考通道輸出至信號(hào)處理及控制器的相應(yīng)輸入端；
[0015] 所述第一測(cè)量通道由第一環(huán)形器、第一檢波器組成；所述第一功率分配器輸出的 一路信號(hào)依次經(jīng)第一環(huán)形器、第一檢波器輸出至信號(hào)處理及控制器的相應(yīng)輸入端，另一路 信號(hào)輸出至第一微波測(cè)量諧振腔;所述第一參考通道由第二環(huán)形器、第二檢波器組成;所述 第二環(huán)形器的相應(yīng)輸出端與第一參考諧振腔連接；
[0016] 所述第一參考諧振腔與第一測(cè)量諧振腔的尺寸相同的圓柱波導(dǎo)諧振腔，所述第一 參考諧振腔為封閉腔，充滿(mǎn)干飽和蒸汽;所述第一測(cè)量諧振腔為非封閉腔，允許待測(cè)蒸汽自 由通過(guò);所述第一掃頻信號(hào)源的頻率掃描范圍由第一測(cè)量諧振腔的半徑、長(zhǎng)度和工作模式 決定；
[0017] 所述TEon模式模塊由第二掃頻信號(hào)源、第二隔離器、第二功率分配器、第三環(huán)形 器、第三檢波器、第四環(huán)形器、第四檢波器、第二測(cè)量諧振腔、第二參考諧振腔組成;所述第 二掃頻信號(hào)源的頻率掃描范圍由第二測(cè)量諧振腔的半徑、長(zhǎng)度和工作模式?jīng)Q定。
[0018] 進(jìn)一步，所述的雙模四通道汽輪機(jī)蒸汽濕度測(cè)量系統(tǒng)還包括壓力計(jì)和溫度計(jì);所 述壓力計(jì)和溫度計(jì)的輸出端接信號(hào)處理及控制器的相應(yīng)輸入端。
[0019] 進(jìn)一步，所述第一掃頻信號(hào)源和第二掃頻信號(hào)源均為DDS掃頻信號(hào)源，其頻率掃描 范圍分別為5 · 3G-5 · 7G和9 · 3G-9 · 7G。
[0020] 技術(shù)方案二：
[0021] -種用于技術(shù)方案一所述系統(tǒng)的測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0022]步驟1:計(jì)算沒(méi)有水膜時(shí)，第一測(cè)量諧振腔在TEm模式下的諧振頻率理論值f〇2:
[0024]式中，c為光速，a為諧振腔的半徑，1為諧振腔的長(zhǎng)度，為濕蒸汽的相對(duì)介電常 數(shù)均值。
[0025]步驟2:計(jì)算沒(méi)有水膜時(shí)，第二測(cè)量諧振腔在TEon模式下的諧振頻率理論值f04:
[0027]式中，c，a，1，?勺取值與（1)式相同；
[0028] 步驟3:計(jì)算TEm模式下水膜厚度0<匕< =20(^111，0<丨<=1~取大于1的自然 數(shù)，引起的相應(yīng)頻率偏移A fw-i, i:
[0029]
[0030] 式中，er是水的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部，為濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)均值，a為所 述第一測(cè)量諧振腔的半徑，K c2=1.841/a，JQ為0階貝塞爾函數(shù)，心為1階貝塞爾函數(shù)，心為2階 貝塞爾函數(shù)；
[0031] 步驟4:對(duì)TEm模式下水膜厚度hi及其引起的相應(yīng)頻率偏移△ fw-i, i進(jìn)行線性擬合， 得到水膜厚度h與其引起的相應(yīng)頻率偏移△匕4之間的線性關(guān)系：
[0032] h = ai · Δ fw-i+a〇 (4)
[0033] 式中，ajPao為擬合系數(shù)；
[0034] 步驟5:計(jì)算TEq11模式下水膜厚度0<hj< = 200ym，0<j<=N，N取大于2的自然 數(shù)，引起的相應(yīng)頻率偏移A fw-〇, j:
[0037] 步驟6:對(duì)TEm模式下水膜厚度hj及其引起的相應(yīng)頻率偏移△ fV+j進(jìn)行曲線擬合， 得到水膜厚度h與其引起的相應(yīng)頻率偏移△ fw-o之間的關(guān)系：
[0038] Δ fw-〇 = b3 · h3+b2 · h2+bi · h+b〇 (6)
[0039] 式中，^匕和~為擬合系數(shù)；
[0040] 步驟7:分別測(cè)量所述第一測(cè)量諧振腔與第一參考諧振腔在TEm模式下的諧振頻 率f 1和f2 ;
[0041] 步驟8:分別測(cè)量所述第二測(cè)量諧振腔與第二參考諧振腔在TEm模式下的諧振頻 率f3和f4;
[0042] 步驟9:計(jì)算濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)erm:
[0043] erm=(f4/f3)2erv (7)
[0044] 式中，erv為干飽和蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)；
[0045]步驟10:計(jì)算沒(méi)有水膜時(shí)，第一測(cè)量諧振腔在TEm模式下的諧振頻率f12:
[0047] 步驟11:計(jì)算水膜引起的諧振頻率偏移△ fw:
[0048] Afw-i = fi-fi2 (9)
[0049] 步驟12:根據(jù)式(4)計(jì)算水膜厚度h;
[0050] 步驟13:根據(jù)式(6)計(jì)算TEon模式下由水膜厚度h引起的諧振頻率偏移Afw-o;
[00511步驟14:計(jì)算TEon模式下僅由蒸汽濕度引起的諧振頻率偏移Δ f:
[0052] Δ f = -(f4~f3+ Δ fw-〇) (10)
[0053] 步驟15:由諧振頻率偏移Δ f求得蒸汽濕度Υ。
[0055]式中：分別為工作條件下的干飽和蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部、飽和水 的相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部和虛部;Pf和Pv分別為工作條件下的飽和水、飽和水蒸氣的密度。
[0056]本發(fā)明的有益效果在于：
[0057] 1、本發(fā)明圓柱波導(dǎo)諧振腔雙模諧振四通道模式工作，使每個(gè)微波元器件工作在窄 帶情況下，成本低；
[0058] 2、本發(fā)明采用四通道模式工作，有效抵消蒸汽溫度引起的金屬熱膨脹。利用圓柱 波導(dǎo)諧振腔在一個(gè)工作模式下諧振頻率的偏移與水膜厚度成線性變化的規(guī)律，在另一個(gè)工 作模式下諧振頻率的偏移與水膜厚度成三次多項(xiàng)式的變化規(guī)律，通過(guò)多項(xiàng)式擬合技術(shù)，解 決了解析表達(dá)式需要求解含有貝塞爾函數(shù)積分的方程，難于求解、計(jì)算復(fù)雜且計(jì)算量大的 問(wèn)題；
[0059] 3、本發(fā)明實(shí)際測(cè)試時(shí)，根據(jù)存儲(chǔ)的擬合公式，快速、準(zhǔn)確測(cè)量濕蒸汽濕度傳感器內(nèi) 壁水膜厚度，進(jìn)而快速、準(zhǔn)確測(cè)量水膜對(duì)濕度測(cè)量引入的誤差，使用方便；
[0060] 4、本發(fā)明解決了濕度傳感器內(nèi)表面水膜厚度及環(huán)境溫度變化對(duì)汽輪機(jī)濕蒸汽濕 度的測(cè)量影響，快速、準(zhǔn)確測(cè)量濕蒸汽濕度傳感器內(nèi)壁水膜厚度，消除水膜厚度及金屬熱膨 脹對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高了濕度測(cè)量精度。
【附圖說(shuō)明】
[0061] 圖1是本發(fā)明中測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖；
[0062] 圖2是本發(fā)明中測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意框圖；
[0063] 圖3是本發(fā)明中測(cè)量方法的流程圖；
[0064] 圖4是TEm模式下水膜厚度與諧振頻率偏移的關(guān)系圖；
[0065] 圖5是TEon模式下諧振頻率偏移與水膜厚度的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】 [0066] 實(shí)施例1:
[0067]如圖1所示，一種雙模四通道汽輪機(jī)蒸汽濕度測(cè)量系統(tǒng)，由信號(hào)處理器及控制器1、 TEm模式模塊、TEon模式模塊、壓力計(jì)20和溫度計(jì)21組成;所述TEm模式模塊、TEon模式模 塊結(jié)構(gòu)相同，分別在TEm模式和TEon模式下工作;所述壓力計(jì)20和溫度計(jì)21的輸出端接信 號(hào)處理及控制器1的相應(yīng)輸入端，所述信號(hào)處理及控制器1的相應(yīng)控制輸出端分別接TEm模 式模塊、ΤΕοιι模式模塊的相應(yīng)輸入端，其輸入端分別接TEm模式模塊、ΤΕοιι模式模塊的相應(yīng) 輸出端；
[0068]所述TEm模式模塊由第一掃頻信號(hào)源2、第一隔離器3、第一功率分配器4、第一測(cè) 量諧振腔6、第一參考諧振腔9、第一參考通道和第一測(cè)量通道組成;所述第一掃頻信號(hào)源2 的輸入端接信號(hào)處理及控制器1的相應(yīng)輸出端，在信號(hào)處理及控制器1控制下生成掃頻信 號(hào)，掃頻信號(hào)經(jīng)第一隔離器3輸入第一功率分配器4,所述第一功率分配器4輸出的第一路信 號(hào)經(jīng)第一測(cè)量通道輸出至信號(hào)處理及控制器1的相應(yīng)輸入端，第二路信號(hào)經(jīng)第一參考通道 輸出至信號(hào)處理及控制器1的相應(yīng)輸入端；
[0069] 所述第一測(cè)量通道和第一參考通道結(jié)構(gòu)相同；所述第一測(cè)量通道由第一環(huán)形器5、 第一檢波器7組成;所述第一功率分配器4輸出的第一路信號(hào)依次經(jīng)第一環(huán)形器5、第一檢波 器7輸出至信號(hào)處理及控制器1的相應(yīng)輸入端;所述第一參考通道由第二環(huán)形器8、第二檢波 器10組成;所述第一環(huán)形器5的相應(yīng)端口與所述第一測(cè)量諧振腔6連接;所述第二環(huán)形器8與 第一參考諧振腔9連接;所述第一參考諧振腔9與第一測(cè)量諧振腔6的尺寸相同的圓柱波導(dǎo) 諧振腔，所述第一參考諧振腔9為封閉腔，充滿(mǎn)干飽和蒸汽;所述第一測(cè)量諧振腔6兩端開(kāi) 縫，待測(cè)蒸汽自由通過(guò)所述第一測(cè)量諧振腔6;所述第一掃頻信號(hào)源2的頻率掃描范圍由第 一測(cè)量諧振腔6的半徑、長(zhǎng)度和工作模式?jīng)Q定;所述TEm模式模塊由第二掃頻信號(hào)源11、第 二隔離器12、第二功率分配器13、第三環(huán)形器14、第三檢波器16、第四環(huán)形器17、第四檢波器 19、第二測(cè)量諧振腔15、第二參考諧振腔18組成;所述第二掃頻信號(hào)源的頻率掃描范圍由第 二測(cè)量諧振腔15的半徑、長(zhǎng)度和工作模式?jīng)Q定。
[0070] 所述第一掃頻信號(hào)源2和第二掃頻信號(hào)源11均為DDS掃頻信號(hào)源，其頻率掃描范圍 分別為5 · 3G-5 · 7G和9 · 3G-9 · 7G。
[0071] 第一測(cè)量諧振腔6、第一參考諧振腔9、第二測(cè)量諧振腔15、第二參考諧振腔18用支 架支撐置于汽輪機(jī)排氣缸內(nèi)，其軸線上下平行。第一測(cè)量諧振腔6、第一參考諧振腔9、第二 測(cè)量諧振腔15、第二參考諧振腔18的微波信號(hào)傳輸接口分別通過(guò)矩形波導(dǎo)和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換 器連接到第一環(huán)形器5、第二環(huán)形器8、第三環(huán)形器14、第四環(huán)形器17的相應(yīng)端口，各矩形波 導(dǎo)穿過(guò)汽輪機(jī)排氣缸外殼進(jìn)入汽輪機(jī)排氣缸內(nèi)，溫度計(jì)21和壓力計(jì)20分別固定在第二測(cè)量 諧振腔15的外壁上，測(cè)量濕蒸汽濕度時(shí)。第一測(cè)量諧振腔6和第二測(cè)量諧振腔15的軸線均與 汽輪機(jī)排汽氣流方向平行，讓濕蒸汽自由流過(guò)腔體。在本實(shí)施例中，第一測(cè)量諧振腔6和第 二測(cè)量諧振腔15采用授權(quán)公告號(hào)CN101183081B的發(fā)明專(zhuān)利〃用于蒸汽濕度檢測(cè)的微波傳感 器〃中描述的微波傳感器。第一掃頻信號(hào)源的型號(hào)2為MW88-C，第二掃頻信號(hào)源11的型號(hào)為 MW88-X。第一隔離器3的型號(hào)為CTP-4080A，第二隔離器12的型號(hào)為XTP-8016A。第一功率分 配器4和第二功率分配器13的型號(hào)均為ZFSC-2-10G。第一檢波器7、第二檢波器10、第三檢波 器16、第四檢波器19的型號(hào)均為MW68-SKU。第一環(huán)形器5和第二環(huán)形器8的型號(hào)均為CTP-4080H，第三環(huán)形器14和第四環(huán)形器17的型號(hào)均為XTP-8016AH。
[0072] 實(shí)施例2:
[0073]如圖3所示，一種用于實(shí)施例1所述系統(tǒng)的測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0074]步驟1:計(jì)算沒(méi)有水膜時(shí)，第一測(cè)量諧振腔6在TEm模式下的諧振頻率理論值f〇2:
[0076]式中，c為光速，a為諧振腔的半徑，1為諧振腔的長(zhǎng)度，&?為濕蒸汽的相對(duì)介電常 數(shù)均值。
[0077]步驟2:計(jì)算沒(méi)有水膜時(shí)，第二測(cè)量諧振腔15在TEon模式下的諧振頻率理論值f04:
[0079] 式中，c，a，H的取值與（1)式相同；
[0080] 步驟3:計(jì)算TEm模式下水膜厚度0<匕< =20(^111，0<丨<=1~取大于1的自然 數(shù)，引起的相應(yīng)頻率偏移A fw-i, i:
[0081]
[0082]式中，是水的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部，為濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)均值，a為所 述微波測(cè)量諧振腔的半徑，Kc2=1.841/a，JQ為0階貝塞爾函數(shù)，心為1階貝塞爾函數(shù)，心為2階 貝塞爾函數(shù)；
[0083]步驟4:對(duì)TEm模式下水膜厚度hi及其引起的相應(yīng)頻率偏移△ fw-u進(jìn)行線性擬合， 得到水膜厚度h與其引起的相應(yīng)頻率偏移△匕4之間的線性關(guān)系：
[0084] h = ai · Δ fw-i+a〇 (4)
[0085] 式中，ajPao為擬合系數(shù)；
[0086] 步驟5:計(jì)算TEm模式下水膜厚度0<hj< = 200ym，0<j<=N，N取大于2的自然 數(shù)，引起的相應(yīng)頻率偏移A fw-〇, j:

[0089] 步驟6:對(duì)TEon模式下水膜厚度hj及其引起的相應(yīng)頻率偏移△ fw-hj進(jìn)行曲線擬合， 得到水膜厚度h與其引起的相應(yīng)頻率偏移△ fw-Q之間的關(guān)系：
[0090] Δ fw-o = b3 · h3+b2 · h2+bi · h+bo (6)
[0091] 式中，^匕和以為擬合系數(shù)；
[0092] 步驟7:分別測(cè)量所述第一測(cè)量諧振腔6與第一參考諧振腔9在TEm模式下的諧振 頻率負(fù)和&;
[0093] 步驟8:分別測(cè)量所述第二測(cè)量諧振腔15與第二參考諧振腔18在TEon模式下的諧 振頻率f3和f 4;
[0094] 步驟9:計(jì)算濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)erm:
[0095] erm= (f4/f3)2erv (7)
[0096] 式中，erv為干飽和蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)；
[0097]步驟10:計(jì)算沒(méi)有水膜時(shí)，第一測(cè)量諧振腔6在TEm模式下的諧振頻率f12:
[0099] 步驟11:計(jì)算水膜引起的諧振頻率偏移Δ :
[0100] Δ fw-i = fi-fi2 (9)
[0101] 步驟12:根據(jù)式(4)計(jì)算水膜厚度h;
[0102] 步驟13:根據(jù)式(6)計(jì)算TEon模式下由水膜厚度h引起的諧振頻率偏移Afw-o;
[0103] 步驟14:計(jì)算TEon模式下僅由蒸汽濕度引起的諧振頻率偏移Δ f:
[0104] Af = -(f4-f3+Afw-〇) (10)
[0105] 步驟15:由諧振頻率偏移Δ f求得蒸汽濕度Y。
[0107] 式中：dPe〃f分別為工作條件下的干飽和蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部、飽和水 的相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部和虛部;Pf和Pv分別為工作條件下的飽和水、飽和水蒸氣的密度。
[0108] 本發(fā)明應(yīng)用諧振腔微擾理論，分析第一測(cè)量諧振腔6相對(duì)于第一參考諧振腔9在 TEm模式下由水膜引起的諧振頻率偏移和第二測(cè)量諧振腔15相對(duì)于第二參考諧振腔18在 TEon模式由水膜引起的諧振頻率偏移。先求得水膜厚度帶來(lái)的諧振頻率偏移，進(jìn)而消除水 膜厚度對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高濕度測(cè)量精度。
[0109] 第一測(cè)量諧振腔6、第一參考諧振腔9、第二測(cè)量諧振腔15、第二參考諧振腔18均為 尺寸相同的圓柱波導(dǎo)諧振腔。圓柱波導(dǎo)諧振腔以TEm模式工作時(shí)，圓柱坐標(biāo)系下的圓柱波 導(dǎo)諧振腔的電場(chǎng)方程為：

[0112] 式中，Kc2 = 1.841/a，Am為腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度在r方向的幅值。a為微波諧振腔的半徑，1 為微波諧振腔的長(zhǎng)度，r為半徑方向變量，z為長(zhǎng)度方向變量，為橫截面上角度變量， 分別為腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度分布，JhJi'分別為1階貝塞爾函數(shù)和1階貝塞爾函數(shù)的1階導(dǎo)數(shù)。
[0113] 設(shè)圓柱波導(dǎo)諧振腔內(nèi)為充滿(mǎn)相對(duì)介電常數(shù)ε?的濕蒸汽，沒(méi)有水膜時(shí)，諧振腔的諧 振頻率為f 02:
[0115] 式中，c為光速，a為圓柱波導(dǎo)諧振腔的半徑，1為圓柱波導(dǎo)諧振腔的長(zhǎng)度。
[0116] 產(chǎn)生厚度為h水膜后，諧振頻率由fQ2變?yōu)閒 i，諧振頻率的改變量Δ = f i-f Q2，應(yīng) 用微擾法，得諧振頻率的改變量A f2滿(mǎn)足：
[0119]式中，是水的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部，ε?為濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)，a為圓柱波 導(dǎo)諧振腔的半徑，h為水膜厚度，1(。2=1.841/&，上為0階貝塞爾函數(shù)，1 1為1階貝塞爾函數(shù)，】2 為2階貝塞爾函數(shù)。
[0120]同理:圓柱波導(dǎo)諧振腔以ΤΕοιι模式工作時(shí)，在圓柱坐標(biāo)系下的電場(chǎng)方程為：
[0122] 其中，Kcl = 3.832/a，a為諧振腔的半徑，1為諧振腔的長(zhǎng)度，A幅值，r為半徑方向變 量，Z為長(zhǎng)度方向變量，為橫截面上角度變量，為腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度分布，Jl·，Jo '分別為1階貝 塞爾函數(shù)和〇階貝塞爾函數(shù)的1階導(dǎo)數(shù)。
[0123] 設(shè)圓柱波導(dǎo)諧振腔內(nèi)充滿(mǎn)相對(duì)介電常數(shù)為erm的濕蒸汽，沒(méi)有水膜時(shí)，圓柱波導(dǎo)諧 振腔的諧振頻率為f 04:
[0125]式中，c為光速，a為圓柱波導(dǎo)諧振腔的半徑，1為圓柱波導(dǎo)諧振腔的長(zhǎng)度。
[0126]產(chǎn)生水膜后，圓柱波導(dǎo)諧振腔內(nèi)壁水膜使腔內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得圓 柱波導(dǎo)諧振腔的諧振頻率降低，應(yīng)用微擾法計(jì)算諧振頻率的偏移。設(shè)水膜均勻分布于圓柱 波導(dǎo)諧振腔內(nèi)壁表面，厚度為h，諧振頻率由f04變?yōu)閒3，應(yīng)用微擾法，得諧振頻率的改變量Δ fw-0滿(mǎn)足：
[0129]式中，er是水的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部，erm為濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)，a為圓柱波 導(dǎo)諧振腔的半徑，h為水膜厚度，1(。1 = 3.832/&，心為1階貝塞爾函數(shù)。
[0130]由于式（15)、式（18)比較復(fù)雜，需經(jīng)過(guò)多次迭代運(yùn)算才能通過(guò)頻率偏移求得水膜 厚度，進(jìn)而通過(guò)水膜厚度求得TEon模式下的頻率偏移。為了使用方便，可對(duì)式（15)、式（18) 進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：即令水膜厚度h從0~200μπι變化，實(shí)際水膜厚度h在此范圍變化，代入式 (15)、式（18)可求得頻率偏移Δ f^，Δ fW_Q，對(duì)h和Δ f及Δ fW_Q和h分別進(jìn)行曲線擬合，發(fā) 現(xiàn)h和Δ fw擬合結(jié)果為線性，gp [0131 ] h = ai · Δ fw-i+ao (19)
[0132] 式中，m和ao為擬合系數(shù)；
[0133] 根據(jù)式(19)即可快速求出水膜厚度h。
[0134] Afw-〇和h的擬合結(jié)果為三次多項(xiàng)式：
[0135] Δ fw-o = b3 · h3+b2 · h2+bi · h+bo (20)
[0136] 式中，^匕和以為擬合系數(shù)；
[0137] 根據(jù)式(20)即可快速求出TEon模式下由水膜厚度引起的頻率偏移AfV-o。
[0138] 汽輪機(jī)中流動(dòng)濕蒸汽濕度一般為6 %~15 %，在0.007MPa壓力環(huán)境下，其相對(duì)介電 常數(shù)erm為1.0006~1.00062。取濕度1 %~70%，其相對(duì)介電常數(shù)erm為1.0005~1.0009。對(duì) erm在1.0005~1.0009范圍內(nèi)取不同的值，式（19)及式(20)中的系數(shù)變化微小，所以可采用 ε?的均值&帶入式（15)、式（18)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，得到式（19)、式 (20)〇
[0139] 在TEon模式下由蒸汽濕度引起的圓柱波導(dǎo)諧振腔的諧振頻率偏移Af:
[0140] Af = -(f4-f3+Afw-〇) (21)
[0141] 進(jìn)而求得蒸汽濕度γ
[0143]式中：#Pe〃f分別為工作條件下的干飽和蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部、飽和水 的相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部和虛部;Pf和Pv分別為工作條件下的飽和水、飽和水蒸氣的密度。溫度 確定后，關(guān)系式中的參數(shù)ε' v、ε' f、ε〃 f、pf和pv均可計(jì)算確定。
[0144] 本實(shí)施例中，各測(cè)量諧振腔和參考諧振腔均為圓柱波導(dǎo)諧振腔，尺寸相同，半徑為 20.598mm，長(zhǎng)度為41.196mm，在圓柱波導(dǎo)諧振腔長(zhǎng)度中點(diǎn)位置采用矩形波導(dǎo)磁耦合激勵(lì)方 式激勵(lì)起TEm和TEon模式，第一掃頻信號(hào)源2在5.4GHz~5.61GHz頻率范圍工作，第一測(cè)量 諧振腔6和第一參考諧振腔9激勵(lì)起TEm模式;第二掃頻信號(hào)源11在9.4~9.6GHz頻率范圍 工作，第二測(cè)量諧振腔15和第二參考諧振腔18激勵(lì)起TEon模式?？諝馓畛鋾r(shí)各圓柱波導(dǎo)諧 振腔的TE Q11模式、TEm模式的諧振頻率分別為9.599GHz、5.609GHz。取濕蒸汽的相對(duì)介電常 數(shù).' =1.0006，水的相對(duì)介電常數(shù)= 81，讓h從0~200μηι變化，對(duì)式（15)、式（18)進(jìn)行計(jì) 算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，擬合曲線如圖4,圖5所示。擬合結(jié)果為：
[0145] h = -0.653375 Afw-i+〇.409942 (23)
[0146] Δ fw-Q = 1 · 〇e-〇5 * (-0 · 042941h3+0 · 198522h2-0 · 073515h-2 · 097006)
[0147] (24)
[0148] 第一掃頻信號(hào)源2從低到高輸出頻率范圍為5.4GHz~5.61GHz頻段的微波信號(hào)，第 二掃頻信號(hào)源11從低到高輸出頻率范圍為9.4~9.6GHz頻段的微波信號(hào)。干飽和蒸汽的相 對(duì)介電常數(shù)ε Γν= 1.0005，TEm模式下，第一測(cè)量諧振腔6的諧振頻率Π = 5.531911004GHz， 第一參考諧振9腔的諧振頻率f2 = 5.609732574GHz JEon模式下，第二測(cè)量諧振腔15的諧振 頻率f3 = 9 · 59707GHz，第二參考諧振腔 18的諧振頻率f4 = 9 · 59755GHz。erm= (f4/f3)2erv = 1.0006；.
;由水膜厚度引起的第一測(cè)量諧振腔6的諧振 頻率偏移 Δ ^4 = ^-^2 = -0 .〇76138GHz = -76.138MHz。由式（23)有h = -0.653375 Δ fV-# 0.409942可得到水膜厚度h = 50μπι。由式(24)當(dāng)h = 50μπι時(shí)，TEon模式下由水膜厚度h引起的 第二測(cè)量諧振腔15的諧振頻率偏移△ fw-Q = -50KHz。蒸汽濕度引起的第二測(cè)量諧振腔15的 諧振頻率偏移Δ f =-(f4-f3+Δ fw-〇) =-430KHZ。進(jìn)而由式(22)可求得蒸汽濕度為20%。
[0149] 需要說(shuō)明的是，在未脫離本發(fā)明構(gòu)思前提下，對(duì)本發(fā)明所做的任何微小變化與修 飾均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙模四通道汽輪機(jī)蒸汽濕度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：包括信號(hào)處理器及控制器 (1)、TEm模式模塊、ΤΕοιι模式模塊;所述TEm模式模塊、TEon模式模塊結(jié)構(gòu)相同，分別在 TEm模式和ΤΕοιι模式下工作;所述信號(hào)處理及控制器（1)的相應(yīng)控制輸出端分別接TEm模 式模塊、ΤΕοιι模式模塊的相應(yīng)輸入端，其輸入端分別接TEm模式模塊、ΤΕοιι模式模塊的相應(yīng) 輸出端； 所述TEm模式模塊由第一掃頻信號(hào)源(2)、第一隔離器(3)、第一功率分配器(4)、第一 測(cè)量諧振腔(6)、第一參考諧振腔(9)、第一參考通道和第一測(cè)量通道組成;所述第一掃頻信 號(hào)源(2)的輸入端接信號(hào)處理及控制器（1)的相應(yīng)輸出端，在信號(hào)處理及控制器（1)控制下 生成掃頻信號(hào)，掃頻信號(hào)經(jīng)第一隔離器(3)輸入第一功率分配器(4)，所述第一功率分配器 (4)輸出的第一路信號(hào)和第二路信號(hào)分別經(jīng)第一測(cè)量通道和第一參考通道輸出至信號(hào)處理 及控制器(1)的相應(yīng)輸入端； 所述第一測(cè)量通道由第一環(huán)形器(5)、第一檢波器(7)組成;所述第一功率分配器(4)輸 出的一路信號(hào)依次經(jīng)第一環(huán)形器(5)、第一檢波器(7)輸出至信號(hào)處理及控制器（1)的相應(yīng) 輸入端，另一路信號(hào)輸出至第一微波測(cè)量諧振腔(6);所述第一參考通道由第二環(huán)形器(8)、 第二檢波器(10)組成;所述第二環(huán)形器(8)的相應(yīng)輸出端與第一參考諧振腔(9)連接； 所述第一參考諧振腔(9)與第一測(cè)量諧振腔(6)的尺寸相同的圓柱波導(dǎo)諧振腔，所述第 一參考諧振腔(9)為封閉腔，充滿(mǎn)干飽和蒸汽;所述第一測(cè)量諧振腔(6)為非封閉腔，允許待 測(cè)蒸汽自由通過(guò);所述第一掃頻信號(hào)源(2)的頻率掃描范圍由第一測(cè)量諧振腔(6)的半徑、 長(zhǎng)度和工作模式?jīng)Q定； 所述TEon模式模塊由第二掃頻信號(hào)源（11)、第二隔離器（12)、第二功率分配器（13)、第 三環(huán)形器（14)、第三檢波器（16)、第四環(huán)形器（17)、第四檢波器（19)、第二測(cè)量諧振腔（15)、 第二參考諧振腔（18)組成;所述第二掃頻信號(hào)源的頻率掃描范圍由第二測(cè)量諧振腔（15)的 半徑、長(zhǎng)度和工作模式?jīng)Q定。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙模四通道汽輪機(jī)蒸汽濕度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:還包括壓 力計(jì)(20)和溫度計(jì)（21);所述壓力計(jì)（20)和溫度計(jì)（21)的輸出端接信號(hào)處理及控制器（1) 的相應(yīng)輸入端。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙模四通道汽輪機(jī)蒸汽濕度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述第一 掃頻信號(hào)源(2)和第二掃頻信號(hào)源（11)均為DDS掃頻信號(hào)源，其頻率掃描范圍分別為5.3G-5.76和9.36-9.76。4. 一種用于權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于:包括以下步驟:步驟1:計(jì)算 沒(méi)有水膜時(shí)，第一測(cè)量諧振腔(6)在TEm模式下的諧振頻率理論值f 〇2:式中，c為光速，a為第一測(cè)量諧振腔(6)的半徑，1為諧振腔的長(zhǎng)度，&"為濕蒸汽的相對(duì) 介電常數(shù)均值； 步驟2:計(jì)算沒(méi)有水膜時(shí)，第二測(cè)量諧振腔(15)在TEQ11模式下的諧振頻率理論值f04: (2) 式中，c，a，1，A，?的取值與（1)式相同； 步驟3:計(jì)算TEm模式下水膜厚度0<匕< =20(^，0<丨<=1^取大于1的自然數(shù)，引起 的相應(yīng)頻率偏移Afwm式中，k是水的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部，？；,,,為濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)均值，a為所述微 波測(cè)量諧振腔的半徑，1(。2 = 1.841/&，上為0階貝塞爾函數(shù)，11為1階貝塞爾函數(shù)，12為2階貝塞 爾函數(shù)； 步驟4:對(duì)TEm模式下水膜厚度hi及其引起的相應(yīng)頻率偏移△ fV-i, i進(jìn)行線性擬合，得到 水膜厚度h與其引起的相應(yīng)頻率偏移△ ^^之間的線性關(guān)系： h = ai · Δ fw-i+ao (4) 式中，ai和ao為擬合系數(shù)； 步驟5:計(jì)算TEQ11模式下水膜厚度0<hj < = 200μπι，0< j < = N，N取大于2的自然數(shù)，引起 的相應(yīng)頻率偏移Afw-〇,j:步驟6:對(duì)TEon模式下水膜厚度hj及其引起的相應(yīng)頻率偏移△ fwi j進(jìn)行曲線擬合，得到 水膜厚度h與其引起的相應(yīng)頻率偏移△ fw-Q之間的關(guān)系： A fw-o = b3 · h3+b2 · h2+bi · h+bo (6) 式中，b3、b2、bi和bo為擬合系數(shù)； 步驟7:分別測(cè)量所述第一測(cè)量諧振腔(6)與第一參考諧振腔(9)在TEm模式下的諧振 頻率負(fù)和&; 步驟8:分別測(cè)量所述第二測(cè)量諧振腔（15)與第二參考諧振腔（18)在TEon模式下的諧 振頻率f3和f4; 步驟9:計(jì)算濕蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)erm: erm= (f4/f3)2erv (7) 式中，erv為干飽和蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)； 步驟10:計(jì)算沒(méi)有水膜時(shí)，第一測(cè)量諧振腔(6)在TEm模式下的諧振頻率f12: (8) 步驟11:計(jì)算水膜01起的諧振頻卒偏移Δ : A fw-l = fl-fl2 (9) 步驟12:根據(jù)式(4)計(jì)算水膜厚度h; 步驟13:根據(jù)式(6)計(jì)算TEQ11模式下由水膜厚度h引起的諧振頻率偏移AfV-o; 步驟14:計(jì)算TEQ11模式下僅由蒸汽濕度引起的諧振頻率偏移Δ f: Af = -(f4-f3+Afw-〇) (10) 步驟15:由諧振頻率偏移△ f求得蒸汽濕度Y。(11) 式中：ε'f和e〃f分別為工作條件下的干飽和蒸汽的相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部、飽和水的相 對(duì)介電常數(shù)實(shí)部和虛部;Pf和Pv分別為工作條件下的飽和水、飽和水蒸氣的密度。
【文檔編號(hào)】G01N22/04GK105866141SQ201610278893
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】張淑娥, 楊再旺, 張京席
【申請(qǐng)人】華北電力大學(xué)（保定）